Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Итак, супергетеродинный приемник оказывается столь удобным для усиления сигналов потому, что промежуточную частоту Vp можно выбирать так, чтобы легко осуществить усиление. Конечно, можно усиливать сигналы и прямо на исходной частоте Vi, воспользовавшись для этой цели, скажем, мазером. Хороший мазер-ный усилитель добавляет к сигналу и джонсоновскому шуму, которые поступили с антенны, лишь шум, соответствующий температуре всего в несколько градусов Кельвина. Более того, сейчас имеются мазеры, которые могут усиливать сигналы чрезвычайно высоких частот — частот оптического диапазона. Такие оптические мазеры называются лазерами.
Здесь мы сталкиваемся с интересным вопросом, касающимся шума. Строгое квантовомеханическое выражение для мощности шума показывает, что она при заданной полосе и температуре уменьшается с ростом частоты сигнала. Значит ли это, что на оптических частотах шум будет менее серьезной помехой, чем на волнах сверхвысоких радиочастот? Отнюдь нет. Вспомним, что электромагнитное излучение распространяется в виде отдельных порций энергии, называемых фотонами. Энергия каждого из них равна Av. Таким образом, с ростом частоты на один фотон приходится все большая энергия, так что сигнал данной мощности будет содержать тем меньшее число фотонов в секунду, чем выше их частота. Следует ожидать, что слабые сигналы на слишком высоких частотах будут в некотором смысле «комковатыми», или «заикающимися», то есть не непрерывными, сплошными, а прерывистыми.
44 Некоторые усилители оптического диапазона обнаруживают именно такой эффект. Рассмотрим, например, супергетеродинный приемник, в котором роль чувствительного к колебаниям мощности элемента выполняет фотоэмиттер, испускающий один электрон на каждый достигший его поверхности фотон. Слабый, модулированный сигнал оптической частоты будет падать на фотоэмиттер вместе с более сильным сигналом несколько отличной частоты (скажем, со световой волной, генерируемой лазером) К Выходной ток фотоэмиттера будет давать сигнал более низкой частоты. Этот низкочастотный сигнал, оказывается, содержит так называемый дробовой шум, обусловленный нерегулярностями или случайными колебаниями процесса порождения свободных электронов падающими на фотоэмиттер отдельными фотонами света. При усилении такого сигнала будет усиливаться и присутствующий в нем шум. Если мощность сигнала сохранять неизменной, то по мере роста частоты на фотоэмиттер в единицу времени будет попадать меньшее число фотонов и, следовательно, в единицу времени будет освобождаться меньшее число электронов. Поэтому доля дробового шума в сигнале будет возрастать.
Ограничения возможностей идеального усилителя
Квантовомеханические свойства шума можно охарактеризовать и иначе.
Представим себе систему, состоящую из грузика, подвешенного на пружине. Если грузик подтолкнуть, он станет качаться вверх-вниз. Квантовая механика утверждает, что нельзя одновременно определить импульс грузика и.его положение с совершенной точностью. Если мы приспособимся очень-точно измерять импульс, то не сможем уверенно судить о положении грузика, а если сумеем очень точно измерить его положение, то появится неопределенность в величине импульса. В этом состоит принцип неопределенности Гейзенберга, о котором мы говорили в главе I.
Электрическим аналогом системы, образованной пружиной и подвешенным к ней грузиком, является резо-
1 Лазер может генерировать и усиливать синусоидальные световые волны. О лазерах мы расскажем в гл. IV.
45 нансный контур—электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора. В резонансном контуре роль импульса играет сила тока в контуре, умноженная на величину индуктивности контура, а роль положения — величина электрического заряда на обкладках конденсатора. Принцип неопределенности в этом случае указывает, что, измерив с высокой точностью силу тока, мы не сможем одновременно узнать точно, каков заряд на конденсаторе, и, наоборот, измеряя очень точно заряд, мы получим заметную неопределенность в величине тока. Когда амплитуда колебаний в контуре велика, эти неопределенности ничтожны по сравнению с самими измеряемыми амплитудами колебаний силы тока и величины заряда, но в случае очень малых колебаний дело обстоит совсем не так.
Представим себе, что мы подключили к конденсатору резонансного контура линейный усилитель с большим коэффициентом усиления и на его выходе наблюдаем форму колебаний с помощью осциллографа. Амплитуда колебаний будет пропорциональна заряду в конденсаторе. Осциллограф позволит нам точно измерить ее величину и изменения во времени. Кроме того, можно очень точно измерить наклон наблюдаемой на экране осциллографа кривой в каждой ее точке и тем самым — зависимость наклона от времени. Нетрудно сообразить, что наклон кривой пропорционален скорости изменения заряда, то есть электрическому току. Значит, измеряя наклон кривой на экране как функцию времени, мы, по существу, измеряем ток в резонансном контуре и зависимость тока от времени.
Уж не нарушается ли здесь принцип неопределенности?
